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KR20090034147A - 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템 - Google Patents

연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템 Download PDF

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KR20090034147A
KR20090034147A KR1020070099362A KR20070099362A KR20090034147A KR 20090034147 A KR20090034147 A KR 20090034147A KR 1020070099362 A KR1020070099362 A KR 1020070099362A KR 20070099362 A KR20070099362 A KR 20070099362A KR 20090034147 A KR20090034147 A KR 20090034147A
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KR
South Korea
Prior art keywords
cathode
average porosity
anode
catalyst layer
fuel cell
Prior art date
Application number
KR1020070099362A
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English (en)
Inventor
한상일
손인혁
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 애노드 전극 기재 및 이 애노드 전극 기재에 형성된 애노드 촉매층을 포함하는 애노드 전극; 캐소드 전극 기재 및 이 캐소드 전극 기재에 형성된 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다. 상기 애노드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1 표면에서 상기 애노드 전극 기재에 접하는 제2 표면으로 갈수록 평균 기공도가 증가하고, 상기 캐소드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제3 표면에서 상기 캐소드 전극 기재에 접하는 제4 표면으로 갈수록 평균 기공도가 감소하는 구성을 갖는다.
본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 애노드 촉매층은 고분자 전해질 막으로부터 전극 기재 방향으로 평균 기공도를 증가시키고, 캐소드 촉매층은 평균 기공도를 감소시켜 반응물의 확산을 증가시킬 수 있어 고출력을 나타내는 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.
연료전지,기공도변화,캐소드전극,촉매층,구배

Description

연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응물의 이동이 용이하여, 고출력을 나타낼 수 있는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, “연료극” 또는 “산화 전극”이라 한다)과 캐소드 전극(일명 “공기극” 또는 “환원 전극”이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
본 발명의 목적은 반응물의 확산이 용이한 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고출력을 나타낼 수 있는 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 애노드 전극 기재 및 이 애노드 전극 기재에 형성된 애노드 촉매층을 포함하는 애노드 전극; 캐소드 전극 기재 및 이 캐소드 전극 기재에 형성된 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다. 상기 애노드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1 표면에서 상기 애노드 전극 기재에 접하는 제2 표면으로 갈수록 평균 기공도가 증가하고, 상기 캐소드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제3 표면에서 상기 캐소드 전극 기재에 접하는 제4 표면으로 갈수록 평균 기공도가 감소하는 구성을 갖는다.
본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 하며, 상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할 을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지(direct oxidation fuel cell) 시스템이 더욱 바람직하다.
본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 애노드 촉매층은 고분자 전해질 막으로부터 전극 기재 방향으로 평균 기공도를 증가시키고, 캐소드 촉매층은 평균 기공도를 감소시켜 반응물의 확산을 증가시킬 수 있어 고출력을 나타내는 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 반응물의 확산을 개선할 수 있는 구조를 갖는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.
본 발명의 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과, 이 고분자 전해질 막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함한다.
상기 애노드 전극은 애노드 전극 기재 및 이 애노드 전극 기재에 형성된 애노드 촉매층을 포함하고, 상기 캐소드 전극은 캐소드 전극 기재 및 이 캐소드 전극 기재에 형성된 캐소드 촉매층을 포함한다. 이때, 상기 애노드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1 표면에서 상기 애노드 전극 기재에 접하는 제2 표면으로 갈수록 평균 기공도가 증가하고, 상기 캐소드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제3 표면에서 상기 캐소드 전극 기재에 접하는 제4 표면으로 갈수록 평 균 기공도가 감소하는 구성을 갖는다.
본 발명에서 애노드 촉매층의 평균 기공도는 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1 표면에서는 10 내지 40%가 바람직하고, 10 내지 20%가 더욱 바람직하다. 또한, 상기 전극 기재와 접하는 제2 표면에서는 60 내지 80%가 바람직하고, 65 내지 75%가 더욱 바람직하다.
본 발명에서 캐소드 촉매층의 평균 기공도는 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제3 표면에서는 40 내지 65%가 바람직하고, 50 내지 60%가 더욱 바람직하다. 또한, 상기 캐소드 전극 기재와 접하는 제4 표면에서는 5 내지 30%가 바람직하고, 10 내지 20%가 더욱 바람직하다.
본 발명에서 촉매층의 기공도를 상기와 같이 조절하는 것은 촉매층 제조시 사용되는 조성물의 농도를 변화시키며 형성하는 등, 다양한 방법으로 조절할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 도 1에 개략적으로 나타내었다. 이와 같이 애노드 전극(22)은 애노드 촉매층(222)의 평균 기공도가 고분자 전해질 막(20)에서 전극 기재(224) 쪽으로 갈수록 증가하므로 연료의 확산이 용이하다. 또한 캐소드 전극(24)은 캐소드 촉매층(242)의 평균 기공도가 고분자 전해질 막(20)에서 전극 기재(244) 쪽으로 갈수록 감소하므로, 연료 전지 작동시 캐소드 전극의 고분자 전해질 막과의 계면에서 발생되는 수증기가 밖으로 빨리 배출될 수 있다.
따라서, 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 연료가 애노드 촉매층으 로 접근이 용이하며(accessibility), 또한 캐소드 촉매층에서 생성되는 물을 빨리 배출시킬 수 있어 고출력을 나타내는 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명에서, 상기 촉매층에서 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.
상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것 이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리[2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸](poly[2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole]) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 고분자와 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.
상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천((섬유 상태의 금속으로구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테 르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.
또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 고분자 전해질 막으로는 일반적으로 연료 전지에서 고분 자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리[2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸](poly[2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole]) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)에 모두 적용될 수 있으나, 직접 산화형 연료 전지에 보다 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 본 발명의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.
본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있으며, 본 발명은 직접 산화형 연료 전지에 보다 적합하므로 탄화수소 연료가 보다 바람직하다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(7)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.
상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(19,19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(17)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 애노드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 애노드 전극 촉매층의 제2 표면의 평균 기공도는 75%가 되고, 이 제2 표면과 대향하는 촉매층의 제1 표면의 평균 기공도는 20%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 애노드 전극을 제조하였다.
Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 캐소드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 캐소드 전극 촉매층의 제4 표면의 평균 기공도는 20%가 되고, 이 제4 표면과 대향하는 촉매층의 제3 표면의 평균 기공도는 60%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 캐소드 전극을 제조하였다.
상기 애노드 전극의 제1 표면 및 캐소드 전극의 제3 표면과 접하도록 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 위치시켜 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이 막-전극 어셈블리로 단위 전지를 제조하였다.
(실시예 2)
Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 애노드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 애노드 전극 촉매층의 제2 표면의 평균 기공도는 65%가 되고, 이 제2 표면과 대향하는 촉매층의 제1 표면의 평균 기공도는 10%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 애노드 전극을 제조하였다.
Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 캐소드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 캐소드 전극 촉매층의 제4 표면의 평균 기공도는 10%가 되고, 이 제4 표면과 대향하는 촉매층의 제3 표면의 평균 기공도는 50%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 캐소드 전극을 제조하였다.
상기 애노드 전극의 제1 표면 및 캐소드 전극의 제3 표면과 접하도록 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 위치시켜 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이 막-전극 어셈블리로 단위 전지를 제조하였다.
(실시예 3)
Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 애노드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 애노드 전극 촉매층의 제2 표면의 평균 기공도는 80%가 되고, 이 제2 표면과 대 향하는 촉매층의 제1 표면의 평균 기공도는 40%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 애노드 전극을 제조하였다.
Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 캐소드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 캐소드 전극 촉매층의 제4 표면의 평균 기공도는 30%가 되고, 이 제4 표면과 대향하는 촉매층의 제3 표면의 평균 기공도는 65%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 캐소드 전극을 제조하였다.
상기 애노드 전극의 제1 표면 및 캐소드 전극의 제3 표면과 접하도록 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 위치시켜 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이 막-전극 어셈블리로 단위 전지를 제조하였다.
(실시예 4)
Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 애노드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 애노드 전극의 제2 표면의 평균 기공도는 60%가 되고, 이 제2 표면과 대향하는 제1 표면의 평균 기공도는 10%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 애노드 전극을 제조하였다.
Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)을 혼합한 캐소드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 상기 탄소지 전극 기재와 접하는 캐소드 전극 촉매층의 제4 표면의 평균 기공도는 5%가 되고, 이 제4 표면과 대향하는 촉매층의 제3 표면의 평균 기공도는 40%가 되도록, 촉매 조성물의 농도를 조절하면서, 도포 공정을 수회 반복하여 캐소드 전극을 제조하였다.
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 제1 표면과 접하도록 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 위치시켜 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이 막-전극 어셈블리로 단위 전지를 제조하였다.
(비교예 1)
Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매 88 중량%와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 혼합한 애노드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하였다. 이때 애노드 전극 촉매층의 평균 기공도는 실질적으로 거의 균일하게 형성되었다.
Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매 88 중량%와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 혼합한 캐소드 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 캐소드 전극 촉매층의 평균 기공도는 실질적으로 거의 균일하게 형성되었다.
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고 분자 전해질 막을 위치시켜 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이 막-전극 어셈블리로 단위 전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 연료 전지의 출력 특성을 측정한 결과, 실시예 1 내지 4가 비교예 1에 비하여 향상된 출력 특성을 나타내었다.
도 1은 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.

Claims (11)

  1. 애노드 전극 기재 및 이 애노드 전극 기재에 형성된 애노드 촉매층을 포함하는 애노드 전극;
    캐소드 전극 기재 및 이 캐소드 전극 기재에 형성된 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,
    상기 애노드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1 표면에서 상기 애노드 전극 기재에 접하는 제2 표면으로 갈수록 평균 기공도가 증가하고
    상기 캐소드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제3 표면에서 상기 캐소드 전극 기재에 접하는 제4 표면으로 갈수록 평균 기공도가 감소하는 것인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면의 평균 기공도는 10 내지 40%이고, 상기 제2 표면의 평균 기공도는 60 내지 80%인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 표면의 평균 기공도는 10 내지 20%이고, 상기 제2 표면의 평균 기 공도는 65 내지 75%인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 표면의 평균 기공도는 40 내지 65%이고, 상기 제4 표면의 평균 기공도는 5 내지 30%인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 표면의 평균 기공도는 50 내지 60%이고, 상기 제4 표면의 평균 기공도는 10 내지 20%인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  6. 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 전기 발생부;
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부
    를 포함하며,
    상기 막-전극 어셈블리는 애노드 전극 기재 및 이 애노드 전극 기재에 형성된 애노드 촉매층을 포함하는 애노드 전극;
    캐소드 전극 기재 및 이 캐소드 전극 기재에 형성된 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,
    상기 애노드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제1 표면에서 상기 애노드 전극 기재에 접하는 제2 표면으로 갈수록 평균 기공도가 증가하고,
    상기 캐소드 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접하는 제3 표면에서 상기 캐소드 전극 기재에 접하는 제4 표면으로 갈수록 평균 기공도가 감소하는 것인
    연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 표면의 평균 기공도는 10 내지 40%이고, 상기 제2 표면의 평균 기공도는 60 내지 80%인 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 표면의 평균 기공도는 10 내지 20%이고, 상기 제2 표면의 평균 기공도는 65 내지 75%인 연료 전지 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제3 표면의 평균 기공도는 40 내지 65%이고, 상기 제4 표면의 평균 기공도는 5 내지 30%인 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3 표면의 평균 기공도는 50 내지 60%이고, 상기 제4 표면의 평균 기공도는 10 내지 20%인 연료 전지 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지 시스템인 연료 전지 시스템.
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